High Tg liquid crystal thermosetting resins and fiber reinforced composites thereof

In this study a new high-performance liquid crystal thermoset for composite applications was investigated. All-aromatic liquid crystalline thermosets (LCTs) are a promising class of polymers that offer a unique combination of properties such as solvent resistivity, high modulus, high strength, low coefficient of thermal expansion and high thermal stability. A new family of reactive and nematic oligomers based on 4-hydroxybenzoic acid (HBA), 4,4’-biphenol (BP), terephthalic acid (TA) end-capped with phenylethynyl reactive end-groups was synthesized and characterized. In a consecutive high temperature step, the reactive end-groups were thermally activated allowing the synthesis of liquid crystal thermosets with mechanical and thermal properties (Tg > 300 °C) superior to commercial high-performance thermoplastic polymers. This study provides guidelines on how to process T300 (5HS) Carbon fabric composites based on the semi-crystalline thermoplastic PEKK and the synthesized LCT HBA/BP/TA(20)-9K. Different processing conditions and manufacturing techniques were applied to obtain optimal consolidation. A detailed mechanical test plan, focused on the matrix-dominated properties, shows excellent room temperature compressive strength of 552 MPa and high interlaminar shear strength of 94 MPa for the PEKK-based composite. Above the PEKK glass-transition temperature its mechanical performance dramatically decreases. Preliminary results, from the ILSS test, show that LCT-based composites exhibit better mechanical properties at high temperature over current high-performance polymer-based composites.

Questo elaborato di tesi indaga un nuovo polimero termoindurente a cristalli liquidi per lo sviluppo di compositi ad alte prestazioni. I polimeri termoindurenti a cristalli liquidi (LCT) sono una promettente classe di materiali che offre una combinazione unica di proprietà quali resistenza ai solventi, alta resistenza meccanica, basso coefficiente di dilatazione termica ed elevata stabilità ad alte temperature. Una nuova famiglia di oligomeri reattivi in fase nematica a base di acido 4-idrossibenzoico (HBA), 4,4'-bisfenolo (BP), acido tereftalico (TA) con gruppi terminali reattivi feniletinilici è stata sintetizzata e caratterizzata. In seguito, i gruppi terminali reattivi sono stati attivati termicamente consentendo la sintesi di polimeri termoindurenti a cristalli liquidi con proprietà meccaniche e termiche (Tg > 300 ° C) superiori a quelle dei più comuni polimeri termoplastici ad alte prestazioni. Questo lavoro di ricerca fornisce linee guida su come preparare due compositi rinforzati con tessuto di fibre di carbonio T300 (5HS), il primo con matrice termoplastica di PEKK semi-cristallino e il secondo con matrice liquida cristallina basata sul polimero termoindurente sintetizzato HBA/BP/TA(20)-9K. Diverse tecniche di produzione e parametri di processo sono stati indagati per ottenere un composito ben consolidato. Prove meccaniche incentrate sulle proprietà legate alla matrice hanno evidenziato, per il composito a base di PEKK, un'ottima resistenza alla compressione a temperatura ambiente di 552 MPa e un’alta resistenza al taglio interlaminare di 94 MPa. Si è riscontrato che al di sopra della temperatura di transizione vetrosa le prestazioni meccaniche del composito a base di PEKK diminuiscono drasticamente. Prove di resistenza al taglio interlaminare mostrano che il composito a base di LCT presenta migliori proprietà meccaniche ad alta temperatura rispetto ai compositi a base di polimeri termoplastici.